02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
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Item Open Access Warmbeton : Mischungsentwicklung mit verbesserter Übertragbarkeit in den Realmaßstab(2019) Schließer, Agnes; Garrecht, Harald (Prof. Dr.-Ing.)Warmbeton vereint tragende und wärmedämmende Eigenschaften in einem Baustoff. Damit ist die monolithische Ausführung von Außenwänden und der Verzicht auf eine zusätzliche Wärmedämmschicht möglich. Die Entwicklung und Verbesserung solcher Baustoffe wird von der klimaschutzpolitischen Forderung nach einem annähernd klimaneutralen Gebäudebestand in Deutschland gefördert. Findet die Entwicklung neuer Betone ausschließlich im Labor statt, sind unter den dort herrschenden optimalen Bedingungen sehr gute Betoneigenschaften einstellbar. Für eine erfolgreiche Übertragung in den Realmaßstab ist bereits von Beginn der Mischungsentwicklung an auf ein robustes Frischbetonverhalten zu achten, das über die Betrachtung der Packungsdichte abzuschätzen ist. Wird ebenfalls frühzeitig der von Mischerbautyp und -größe abhängige Energieeintrag in die Mischung betrachtet, ist die Übertragung vom Labor- auf den Produktionsmischer bei nahezu gleichbleibender Betongüte möglich. Unter Berücksichtigung dieser Einflussgrößen gelang die Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit eines Warmbetons auf einen Bemessungswert von lediglich 0,125 W/(m·K). In der vorliegenden Arbeit werden Mischungsentwicklung und Betoneigenschaften zusammengefasst.Item Open Access Numerical and experimental study of concrete structures exposed to impact and fire(2018) Ruta, Daniela; Ožbolt, Joško (Prof. Dr.-Ing. habil.)During their service life concrete and reinforced concrete structures may be exposed to extreme loading conditions such as fire, explosions, impact, earthquakes and terroristic attacks. In particular situations, as in case of chemical industries where the probabilities of explosions are relatively high, combination of extreme loadings represents a major risk. To assure safety conditions in terms of cost and lives losses for the involved structure as well as for the surrounding buildings, it is important to take into account the effect of multi-hazard phenomena. The aim of this work is to study the dynamic concrete behaviour after thermal exposure analyzing the change of the material state and structural response, by means of experimental tests and numerical analysis. In the literature, few studies can be found on the behaviour of concrete and RC structures subjected to coupled thermal and dynamic loads. The results of the study are also useful to extend the experimental and numerical database available in the literature. Experimental and numerical investigations on fire exposed plain concrete (compact tension specimen) and full scale reinforced concrete structures (slabs and frames) under high loading rates are presented and discussed.Item Open Access Tragverhalten und Bemessung von Befestigungen unter beliebiger Querbelastung in ungerissenem Beton(2005) Hofmann, Jan E.; Eligehausen, Rolf (Prof. Dr.-Ing.)In der vorliegenden Arbeit wurde das Tragverhalten von Verbunddübeln unter beliebiger Querbelastung anhand theoretischer, numerischer und experimenteller Untersuchungen untersucht. Die Ergebnisse beschränken sich dabei auf Verankerungen ohne Rückhängebewehrung im ungerissenen Beton. In Abschnitt 2 wurden zunächst die bisherigen Untersuchungen verschiedener Autoren zusammengefasst und das CC-Verfahren für die Bemessung querbelasteter Verankerungen vorgestellt. Ergänzend hierzu wurden Versuche am Bauteilrand und in der Bauteilecke durchgeführt, bei denen ein Versagen infolge Betonausbruch auf der lastabgewandten Seite auftrat. Die Ergebnisse zeigen, dass das CC Verfahren auch für diese Fälle angewandt werden kann, wenn die zentrische Zugtragfähigkeit am Bauteilrand und in der Bauteilecke entsprechend abgemindert wird. Die bisherigen Versuche wurden anschließend in Abschnitt 3 in einer Datenbank zusammengefasst und ausgewertet und den vorhandenen Forschungsbedarf abzugrenzen. In Abschnitt 4 wurde ein auf der linear elastischen Bruchmechanik, der elastischen Bettung und der Theorie der Querpressung basierendes Berechnungsmodell für Befestigungen unter Querlast entwickelt. Mit diesem Modell ist es möglich die Bruchlast, die theoretische Erstrisslast, den Rissverlauf sowie eine idealisierte Last-Verschiebungskurve für die Versagensart Betonkantenbruch zu bestimmen. Hierfür sind jedoch unterschiedliche ebene Rissprobleme zu lösen für die in der Literatur nur bedingt Lösungen angegeben sind. Um die zugehörigen Spannungsintensitätsfaktoren dieser ebenen Rissprobleme zu ermitteln wurden diese mit Hilfe numerischer Berechnungen und der COD-Methode bestimmt. Für eine ausführliche Parameterstudie wurde das entwickelte bruchmechanische Modell in einem Programm umgesetzt, so dass für die Berechnung einer Verankerung nur die Eingabe der wichtigsten Randbedingungen erforderlich ist. Um das in Abschnitt 4 entwickelte bruchmechanische Modell für beliebige Anwendungsfälle zu verifizieren wurden numerische (Abschnitt 5) und experimentelle (Abschnitt 6) Untersuchungen mit Einzel- und Gruppenverankerung am Bauteilrand und in der Bauteilecke durchgeführt. In der Regel wurden sowohl die Rissbilder als auch die Bruchlasten brauchbar durch das bruchmechanische Modell erfasst, wenn die Verankerungen infolge Betonkantenbruch versagten. Die wichtigsten Ergebnisse der bruchmechanischen, numerischen und experimentellen Untersuchungen sind im folgenden zusammengefasst: - Der Einfluss des Durchmessers und der Verankerungstiefe nimmt mit zunehmendem Randabstand ab. - Die Bruchlasten steigen an, wenn der Lasteinleitungsbereich eingespannt ausgebildet wird. Dieser Einfluss ist von der Dübelsteifigkeit abhängig und für größer werdende Verhältnisse hef / dnom geringer. - Der Einfluss der Bauteilecke und des Achsabstandes s2 wird durch das CC Verfahren brauchbar erfasst. - Wird für die Tragfähigkeit einer Dübelgruppe die doppelte Betonkantenbruchlast der vorderen Dübelreihe angenommen, muss diese für Verhältnisse s1/c1 < 0,75 abgemindert werden, da die Last hauptsächlich über die hinteren Dübel abgetragen wird. In den numerischen Berechnungen ist für Verankerungen mit s1/c1 < 0,7 daher am vorderen Dübel kein Riss sichtbar. - Bei Verankerungen mit hintereinander liegenden Dübeln und Lochspiel wird die Bruchlast des hinteren durch die Rissbildung des vorderen Dübels beeinflusst. Für Verhältnisse s1/c1 > 2,0 entspricht die Gruppentragfähigkeit der Betonkantenbruchlast der hinteren Dübelreihe. Für Verhältnisse s1/c1 < 2,0 muss die Tragfähigkeit der hinteren Dübel linear abgemindert werden, bis die Bruchlast der vorderen Dübel erreicht wird. - Der Einfluss der Bauteildicke wird durch das CC-Verfahren leicht überschätzt. - Für parallel zum Rand belastete Verankerungen hängt die Bruchlast stark von der zu erwartenden Pressung vor den Bolzen und dem Verhältnis von Spaltkraft zu Zugkraft ab. Die theoretischen und experimentellen Untersuchungen zeigen, dass diese hauptsächlich vom Durchmesser, dem Randabstand und der Betondruckfestigkeit abhängt. - Versuche mit Verbunddübeln, die entgegen den Rand belastet werden zeigen, dass diese stets infolge Betonausbruch auf der lastabgewandten Seite versagen. - Die Ergebnisse zu Verankerungen unter Torsionsbelastung zeigen, dass die Bruchlast des senkrecht zum Rand belastet Ankers nicht durch den entgegen den Rand belasteten Anker beeinflusst wird, auch wenn dieser deutlich höher Lasten aufnimmt. - Der Bruchrisswinkel einer Verankerung ist vom Randabstand, dem Dübeldurchmesser sowie den Achs- und Eckabständen abhängig. Für große Durchmesser und kleine Randabstände wird dieser flacher ebenso wie für kleine Achs- und Eckabstände. - Bei Verankerungen mit hintereinander angeordneten Dübeln ist für kleine Verhältnisse s1 /c1 der Rissverlauf am vorderen Dübel steiler (40° bis 60°) als der einer entsprechenden Einzelverankerung (30° bis 40°).Item Open Access Behavior and testing of fastenings to concrete for use in seismic applications(2006) Hoehler, Matthew Stanton; Eligehausen, Rolf (Prof. Dr.-Ing.)This dissertation investigates the behavior in concrete of cast-in and post-installed fastenings under earthquake conditions and provides background for the development of seismic qualification methods and performance assessment criteria for fasteners. Chapters 1 and 2 define the problem and provide the context for the research. Chapter 3 puts existing literature related to the behavior and testing of fasteners under earthquake conditions into a cohesive framework. This chapter also reviews and summarizes normative standards for the design and testing of fasteners for seismic applications. Chapter 4 investigates the conditions to which fasteners may be subjected during an earthquake so that realistic boundary conditions for testing can be established. It is shown that fasteners used to connect structural and nonstructural elements to a reinforced concrete structure experience both crack cycling and load cycling at dynamic rates during an earthquake. Based on theoretical considerations and numerical studies, this chapter establishes typical values for crack widths and the number of crack opening and closing cycles during an earthquake for use in fastener qualification tests. Cumulative damage based cycle counting methods are used to develop tension and shear load cycling time-histories for fasteners. Chapters 5, 6 and 7 present and discuss the results of experimental investigations of fastener behavior under seismic conditions. Chapter 5 deals with fastener performance in wide cycled cracks when full crack closure occurs, i.e. when the cracks are pressed closed as could occur during a moment reversal in a member. This chapter describes in detail the load-displacement response of various fastener failure modes during extreme crack cycling. Chapter 6 presents results from tests with pulsating tension loads. Tests with cast-in headed bolts are used to develop an equation to predict head slip during tension load cycling. Tests with post-installed fasteners investigate the performance of various load-transfer mechanisms during tension cycling at near-ultimate load. Chapter 7 focuses on the behavior of fasteners under high (earthquake relevant) loading rates. Under certain conditions some fasteners can exhibit a lower ultimate capacity at high loading rate than at quasi-static loading rate or may undergo a change in failure mode. Chapter 8 demonstrates that some existing design guidelines have an insufficient margin of safety to avoid brittle fastener failure. This chapter also shows that the deformation capacity of anchors designed for ductile steel failure can be controlled using the margin of safety between steel failure and brittle failure. Finally, Chapter 9 makes recommendations to improve qualification testing methods and assessment criteria for fasteners used for earthquake applications.Item Open Access Last-Verformungsverhalten von Mauerwerk im ebenen Spannungszustand(2019) Weber, Marius; Hofmann, Jan (Prof. Dr.)Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit besteht darin, ein Materialmodell für quasi-statisch monoton beanspruchte Mauerwerksscheiben im ebenen Spannungszustand zu entwickeln und in die nichtlineare Finite-Elemente- (NLFE-) Methode zu implementieren. Der erste Teil der Arbeit umfasst eine Darstellung des Kenntnisstands von eben beanspruchten Mauerwerksscheiben. Es wird das grundlegende Tragverhalten dargestellt, die experimentellen Untersuchungsmethoden aufgezeigt und die numerische Modellbildung erörtert. Bestehende NLFE-Modelle aus der Literatur werden vorgestellt und kritisch hinterfragt. Es wird die in dieser Arbeit verwendete numerische Simulationsstrategie beschrieben und auf die zentralen Aspekte der mechanischen Formulierung von allgemein beanspruchten Flächenelementen eingegangen. Im Hauptteil der Arbeit wird das entwickelte Materialmodell für Mauerwerksscheiben vorgestellt und dessen numerische Umsetzung im Rahmen der NLFE-Methode erläutert. Die Verifikation des NLFE-Modells erfolgt anhand der Nachrechnung von publizierten Bauteilversuchen. Zudem wird das entwickelte Materialmodell für Mauerwerksscheiben mit einem bestehenden Materialmodell für Stahlbetonbauteile verknüpft und in die NLFE-Methode implementiert. Das Materialmodell für die Stahlbetonbauteile wird erörtert sowie Versuche an Mischtragwerken aus Stahlbetonbauteilen und Mauerwerksscheiben nachgerechnet. Die Zusammenfassung, die Schlussfolgerungen und der Ausblick runden die Arbeit ab.Item Open Access Einfluss einer hohen Kaltumformung auf das Loch- und Spannungsrisskorrosionsverhalten nichtrostender Stahldrähte im Hinblick auf eine Anwendung im Spannbetonbau(2016) Rauscher, Thomas; Nürnberger, Ulf (Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. h.c.)In den vergangenen 60 Jahren sind immer wieder korrosionsbedingte Schäden an Spannbetonkonstruktionen aufgetreten, die zum schwerwiegenden Versagen von Bauteilen geführt haben. Aus bauingenieurmäßiger Sicht waren meist Planungs- und Ausführungsfehler die Ursache dafür, dass Spannstähle Brüche infolge wasserstoffinduzierter Spannungsrisskorrosion erlitten. Um Schäden zu vermeiden wurden die Spannstähle zusätzlich vor Korrosion geschützt. Zum Einsatz kamen hierbei metallische Überzüge und Epoxidharzbeschichtungen. Diese Schutzsysteme brachten allerdings nicht die erforderliche Sicherheit. Der Einsatz von hochfesten nichtrostenden Stahldrähten als Zugglieder im Spannbetonbau könnte somit eine mögliche Alternative bieten, da diese Stähle von sich aus einen deutlich höheren Korrosionswiderstand als unlegierte und niedriglegierte Spannstähle aufweisen. Nichtrostende Stähle werden bereits als Betonstähle mit niedrigeren Festigkeiten in hoch korrosionsbeanspruchten Bauteilen und in Form von hochfesten Seilen und Litzen unter atmosphärischen Bedingungen im Hoch- und Brückenbau erfolgreich eingesetzt. In der nun vorliegenden Arbeit wurde das Werkstoffverhalten von hochfesten nichtrostenden Stahldrähten unter kritischen Bedingungen des Spannbetonbaus ermittelt, um ihre Eignung als Spannstähle festzustellen. Bei den untersuchten Werkstoffen handelt es sich um austenitsche und um Duplex-Stähle. Die Zugfestigkeiten der untersuchten nichtrostenden Werkstoffe liegen in einem Bereich von 990 bis 2125 N/mm², was durch eine starke Kaltumformung der Drähte erreicht wurde. Nichtrostende Stähle (z.B. 1.4462) mit Festigkeiten ≥2000 N/mm² weisen allerdings für Spannstähle nicht ausreichende Verformungskennwerte auf. Wegen ihrer niedrigen Elastizitätsgrenze besitzen nichtrostende Stähle generell eine höhere Anfangsrelaxation als herkömmliche Spannstähle. Es konnte gezeigt werden, dass wegen des ausgeprägten Verfestigungsverhaltens dieser Nachteil durch ein zusätzliches Nachspannen kompensiert werden kann. Neben der mechanisch-technologischen Werkstoffcharakterisierung stand das Korrosionsverhalten der nichtrostenden Stähle im Mittelpunkt der durchgeführten Untersuchungen. Es wurde die Beständigkeit der Stähle hinsichtlich Lochkorrosion, chloridinduzierter Spannungsrisskorrosion und wasserstoffinduzierter Spannungsrisskorrosion unter für Spannstähle kritischen Bedingungen ermittelt. Unter Berücksichtigung aller Untersuchungen sind die gefügestabilen Nickel-Molybdän-Austenite 1.4401 und 1.4571 für einen Einsatz als Spannstahl geeignet. Der Mangan-Austenit P558 besitzt bei einer Festigkeit von etwa 1900 N/mm² immer noch ausreichend hohe Verformungskennwerte und ist aufgrund seiner hohen Beständigkeit hinsichtlich jeder Korrosionsart für einen Einsatz im Spannbetonbau sehr gut geeignet. Der Duplex-Stahl 1.4462 weist bis zu einer Festigkeit von etwa 1700 N/mm² noch ausreichende Verformungskennwerte sowie eine sehr hohe Beständigkeit hinsichtlich aller Korrosionsarten auf. Er ist bis zu dieser Festigkeit bestens als Spannstahl geeignet. Höhere Festigkeiten sind aufgrund seiner dann sinkenden Korrosionsbeständigkeit nicht zu empfehlen. Metastabile Chrom-Nickel-Austenite (1.4301 und 1.4310) weisen nur eine geringe Lochkorrosionsbeständigkeit auf. Der Chrom-Mangan-Austenit P560 und der Duplex-Stahl 1.4062 sind anfällig gegenüber chloridinduzierter Spannungsrisskorrosion und der Duplex-Stahl 1.4362 weist nur eine begrenzte Beständigkeit gegenüber wasserstoffinduzierter Spannungsrisskorrosion auf. Somit sollten diese Stähle nicht als Spannstähle eingesetzt werden.Item Open Access Tragverhalten und Bemessung von verstärkten Ankerschienen unter Querbelastung am Bauteilrand(2024) Petrasch, Michael Christoph; Hofmann, Jan (Prof. Dr-Ing.)Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, ein Verstärkungsmodul und ein dazugehöriges Bemessungsmodell zu entwickeln. Dafür wurden unterschiedliche Verstärkungsmöglichkeiten sowohl numerisch als auch experimentell untersucht. Auf Basis dieser Untersuchungen wurde ein Konzept für die Verstärkung entwickelt und bemessen. Das Konzept sieht einen Eingriff in die Ankerschiene vor, welcher von der Betonoberkante ausgeht. Hierdurch kann das Modul einfach als nachträgliche Installation eingesetzt werden. Alternativ kann die Verstärkung auch als geplante Zulage vor der Betonage durchgeführt werden. Bei der Bemessung wurden die Versagensbelastungen in die folgenden Komponenten aufgeteilt: • Grundtragfähigkeit der Ankerschiene im unbewehrten bzw. bewehrten Beton • Tragfähigkeit nach einer Verstärkung mittels Verstärkungsmodul Die Gesamttragfähigkeit ergibt sich aus der Summe dieser Einzeltragfähigkeiten bestimmt. Der Ansatz des Bemessungsmodells der Verstärkungselemente beruht auf der Annahme eines rein mechanischen Modells eines Balkens auf zwei Stützen, der auf seine Länge hin, eingefasst von den Anbindungspunkten des Verstärkungsmoduls, gebogen wird.Item Open Access Concrete failure of headed stud fasteners exposed to fire and loaded in shear : experimental and numerical study(2019) Tian, Kaipei; Ožbolt, Joško (Prof. Dr.-Ing. habil.)Item Open Access High velocity impact and fragmentation of concrete : numerical simulation(2014) Irhan, Baris; Ožbolt, Joško (Prof.Dr.-Ing.)In this study load-rate dependent behavior of plain concrete has been investigated by means of numerical methods. To accomplish this, a three dimensional explicit Lagrangian finite element program has been developed for the simulation of contact, impact and fragmentation events based on mixed programming approach. In this respect a graphical user interface (GUI) has been developed using C++ programming language to carry out pre- and post-processing tasks. On the other hand, another program has been developed using FORTRAN programming language to carry out finite element computations. Communication in between GUI and FORTRAN program has been established using standard function import/export mechanism. Microplane material model for concrete has been extended to account for large deformations, rate of loading and thermal effects. Stress locking observed under dominant tensile loading has been addressed by proper relaxation of the kinematical constraint. On the other hand mesh dependency, due to softening behavior present, has been tackled by crack-band regularization. Kinematical contact constraints in normal and tangential directions have been formulated in both total and rate forms. Predictor-corrector type algorithm has been employed as method of constraint enforcement. Requirements for the exact satisfaction of constraints have been discussed. Mohr-Coulomb type frictional constitutive behavior is adopted in tangential direction. Classical radial return mapping algorithm, frequently used for elastic-plastic materials, has been used to perform constitutive update in tangential direction. During high velocity contact-impact events, like projectile penetration, motion function loses its regularity around the impact region due to presence of very large deformations. In order to be able to continue simulations staying within Lagrangian framework, such material is simply removed with a technique based on adaptive element deletion. Maximum principal strain has been used as a deletion criterion. Topological data structures have been implemented to keep track of the evolving contact interface during simulations. Furthermore, to accelerate contact search a procedure based on so-called moving contact sphere has been developed. Predictive capability of the numerical techniques proposed has been assessed by comparisons with some relevant experimental results from literature. Main conclusions have been drawn out and future research directions have been recommended.Item Open Access Seismic behavior and retrofitting of RC frame structures with emphasis on beam-column joints : experiments and numerical modeling(2013) Sharma, Akanshu; Eligehausen, Rolf (Prof. Dr.-Ing.)The vulnerability and poor seismic performance of the beam-column joints of old non-seismically designed reinforced concrete (RC) frame structures has been proven time and again, both at laboratory level as well as by natural disasters in real life situations. However, replacing a vast majority of existing structures designed with non-seismic considerations is not economically and practically viable. Such structures need to be correctly assessed to predict their seismic performance and retrofitted, if required. In order to realistically predict the seismic performance of such structures, practical and accurate models for simulating the inelastic joint behavior at structural level, are of utmost importance. Equally important is to associate realistic and practical hysteretic rules to capture the inelastic dynamic behavior of the structures. Assessment of existing structures using such tools can predict the seismic performance of the structures with high degree of confidence. Based on such assessment, a cost-effective and efficient retrofit solution can be designed and developed. Often, the retrofitting of such structures revolves around retrofitting of the beam-column joints. Thus, a need of practically viable retrofit solution for joints cannot be denied. This work is aimed at providing the practical solutions to the above-mentioned problems, through experimental and numerical modeling approach. Experiments have been performed first at the joint sub-assembly level to understand the behavior of poorly detailed joints with different anchorage details. To study the interaction of the various failure modes likely to occur in a non-seismically designed structure, experiment on a full-scale structure has been performed under pushover loads. Further, shake table tests were carried out on a 2D structure to verify the performance of joints at structural level under real life type seismic loads. These tests provided large database and helped in improving the overall understanding of the joint behavior under seismic loads. Fully fastened haunch retrofit solution (FFHRS) have been investigated as a viable retrofit option for poorly detailed joints. The solution has been tested through tests at sub-assembly level under cyclic loads as well as at structural level under dynamic loads. The results clearly displayed the efficacy of the FFHRS in safeguarding the joints thereby improving the global seismic behavior of structures. However, it is very important to confirm that the structural members shall not become shear critical due to the retrofit. It is also essential that the anchorage system used for fastening the haunch elements to frame members serve their purpose well. It was observed that the performance of the FFHRS in experiment on structure under dynamic loads is better than that in experiment on beam-column joints under cyclic loads. This is attributed partially to the phase difference between the force in anchor and crack opening and partially to instantaneous loading. To assess the seismic performance of structures giving due consideration to joint distortion, a new joint model has been presented. The model is based on realistic deformation of the joint sub-assembly and excellent agreement with the experimental results at sub-assembly as well as structural proves the efficacy and suitability of the model. To model the hysteretic behavior of the structure, an extension to pivot hysteretic model is presented. The model parameters are derived in a more rational way and can be applied at a wide range of structures. Further, a model is presented to simulate seismic behavior of joints retrofitted with FFHRS considering inelastic behavior of anchorage. The models were implemented in commercial software SAP2000. All the models have been vastly validated against experiments conducted by author as well as those available in the literature. In the end, the application of the models to assess and retrofit structures has been demonstrated by a real life case study.